Zum Inhalt springen
Anmelden
Physik · Jahrgang 11 · Basiswissen

Physik Einführungsphase: Energie und Energiebilanzen

Das lernst du

  1. Ich kann die Arbeit als Energieänderung berechnen, auch mit einer Kraft schräg zum Weg.
  2. Ich kann Lage-, Bewegungs- und Spannenergie berechnen.
  3. Ich kann mit dem Energieerhaltungssatz Geschwindigkeiten und Höhen bestimmen.
  4. Ich kann die Wärme bei Temperaturänderung berechnen und die spezifische Wärmekapazität bestimmen.
  5. Ich kann Umwandlungswärmen und Mischungstemperaturen berechnen.
  6. Ich kann Wirkungsgrade und Energiebilanzen aufstellen und bewerten.

Merksätze

Arbeit als Energieänderung

Arbeit ändert die Energie eines Körpers um genau ihren Betrag.

Steht die Kraft schräg zum Weg, zählt nur ihr Anteil in Wegrichtung: W = F · s · cos α.

Drei mechanische Energien

Es gibt drei mechanische Energien: Lage, Bewegung und Spannung einer Feder.

Ihre Formeln: m · g · h ab einem Nullniveau, ½ · m · v² und ½ · D · s².

Energieerhaltung

Ohne Reibung bleibt die mechanische Energie gleich: E_pot + E_kin + E_spann = konstant.

Schreib die Summe vorher und nachher hin und setz sie gleich. Die Masse kürzt sich oft heraus.

Spezifische Wärmekapazität

Wärme ändert die Temperatur je nach Masse und Stoff verschieden stark.

Es gilt Q = c · m · ΔT, c ist die spezifische Wärmekapazität.

Umwandlungswärme und Mischung

Beim Schmelzen und Sieden bleibt die Temperatur trotz Wärmezufuhr gleich.

Umwandlungswärme: Q = q · m. Beim Mischen gibt der wärmere Körper ab, was der kältere aufnimmt.

Wirkungsgrad und Bilanz

Energie geht nicht verloren, sie wird zum Teil zu Wärme.

Der Wirkungsgrad ist Nutzen durch Aufwand. In einer Kette werden die Wirkungsgrade multipliziert.

Selbst abfragen

Karte 1 von 6 · Vorderseite
Physik Einführungsphase: Energie und EnergiebilanzenArbeit als EnergieänderungWas weißt du dazu? Erst selbst sagen, dann umdrehen.

Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.

So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart

Arbeit mit Winkel und auf der Rampe

Ein Schlitten wird mit 60 N an einem Seil gezogen, das 20° gegen den Boden geneigt ist. Berechne die Arbeit auf 80 m in kJ.

F = 60 Nα = 20°s = 80 mW = ?
  1. Nur die Kraft in Wegrichtung zählt: W = F · s · cos α
  2. W = 60 N · 80 m · cos 20°
  3. W ≈ 4510 J ≈ 4,51 kJ

Ergebnis: 4,51 kJ

Beschleunigungsarbeit

Ein Auto mit 800 kg fährt aus dem Stand auf 36 km/h. Berechne die Beschleunigungsarbeit in kJ (ohne Reibung).

m = 800 kg0 → 36 km/hW = ?
  1. v = 36 km/h : 3,6 = 10 m/s
  2. W = ΔE_kin = ½ · m · v²
  3. W = ½ · 800 kg · (10 m/s)² ≈ 40 kJ

Ergebnis: 40 kJ

Spannenergie

Eine Feder mit der Federkonstante 50 N/m wird um 4 cm gedehnt. Berechne die Spannenergie.

sD = 50 N/ms = 4 cmE = ?
  1. s = 4 cm = 0,04 m
  2. E = ½ · D · s²
  3. E = ½ · 50 N/m · (0,04 m)² = 0,04 J

Ergebnis: 0,04 J

Lageenergie und mechanische Energie

Ein Ball mit 0,45 kg fliegt 2 m über dem Boden mit 12 m/s. Berechne seine mechanische Energie, Nullniveau am Boden.

m = 0,45 kgh = 2 m, v = 12 m/sE = ?
  1. E_pot = m · g · h = 0,45 kg · 9,81 N/kg · 2 m ≈ 8,83 J
  2. E_kin = ½ · m · v² = ½ · 0,45 kg · (12 m/s)² = 32,4 J
  3. E = E_pot + E_kin ≈ 41,2 J

Ergebnis: 41,2 J

Wörter

Anteil
wie viel von einem Ganzen

Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig

Winkel zwischen Kraft und Weg nicht beachtet
F = 100 N unter 30°, s = 20 m: W = 100 N · 20 m = 2000 J
W = F · s · cos 30° = 100 N · 20 m · 0,87 ≈ 1730 J

Nur der Anteil der Kraft in Wegrichtung verrichtet Arbeit: W = F · s · cos α. Auf der Rampe zählt für die Lageenergie nur die Höhe.

Differenz der Geschwindigkeiten quadriert
von 10 m/s auf 20 m/s: ΔE = ½ · m · (20 − 10)²
ΔE = ½ · m · (20² − 10²) = ½ · m · 300 m²/s²

Rechne die Bewegungsenergie vorher und nachher einzeln aus. Die Arbeit ist ihr Unterschied: ½ · m · (v₂² − v₁²).

Federkraft als feste Kraft behandelt
F = 6 N bei 4 cm: E bei 10 cm = 6 N · 0,10 m = 0,6 J
D = 150 N/m, E = ½ · 150 N/m · (0,10 m)² = 0,75 J

Die Federkraft wächst mit der Dehnung. W = F · s gilt nur für eine feste Kraft. Bei der Feder rechnest du E = ½ · D · s².

Lageenergie ohne Bezug auf das Nullniveau
Nullniveau Tisch (0,8 m), Regal 2 m: E_pot = m · g · 2 m
E_pot = m · g · (2 m − 0,8 m) = m · g · 1,2 m

Die Lageenergie zählt ab dem gewählten Nullniveau. Miss die Höhe von dort aus, nicht vom Boden.

Mischungstemperatur als einfacher Mittelwert
1 kg mit 80 °C und 0,2 kg mit 20 °C: ϑ = (80 + 20) : 2 = 50 °C
ϑ = (1 · 80 + 0,2 · 20) : 1,2 = 70 °C

Jede Temperatur zählt mit ihrer Masse und ihrer Wärmekapazität. Die Mischung liegt näher bei der größeren Wärmemenge.

Wirkungsgrade einer Kette nicht multipliziert
90 %, 95 %, 90 %: Gesamtwirkungsgrad (90 % + 95 % + 90 %) : 3 ≈ 92 %
90 %, 95 %, 90 %: Gesamtwirkungsgrad 0,9 · 0,95 · 0,9 ≈ 0,77 = 77 %

Jede Stufe gibt nur ihren Anteil an die nächste weiter. Multipliziere die Wirkungsgrade als Dezimalzahlen.

Energie verschwindet oder kommt dazu
oben 1000 J Lageenergie, unten 800 J Bewegungsenergie: 200 J sind verschwunden
1000 J = 800 J Bewegungsenergie + 200 J Wärme

Energie geht nicht verloren und entsteht nicht neu. Was am Anfang da ist, steckt am Ende in Bewegung, Lage und Wärme.

Den Faktor ½ vergessen
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = 2 kg · (3 m/s)² = 18 J
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = 9 J

In der Formel für die Bewegungsenergie steht ein halb: E = ½ · m · v². Du musst am Ende die Hälfte nehmen.

Das Quadrat vergessen
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = ½ · 2 kg · 3 m/s = 3 J
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = ½ · 2 kg · 9 m²/s² = 9 J

Die Geschwindigkeit steht im Quadrat: v² heißt v mal v. Rechne v² zuerst aus, dann hast du den Rest schnell.

Die Wurzel vergessen
v² = 2 · 10 N/kg · 5 m = 100, also v = 100 m/s
v² = 100 m²/s², also v = √(100 m²/s²) = 10 m/s

Du hast v² ausgerechnet, nicht v. Zieh am Ende noch die Wurzel.

Wärme und Temperatur gleichgesetzt
0,2 kg und 2 kg Wasser, beide um 20 K erwärmt: gleich viel Wärme
Q = 4,2 kJ/(kg·K) · 2 kg · 20 K = 168 kJ, bei 0,2 kg nur 16,8 kJ

Die Temperatur sagt, wie warm etwas ist. Die Wärme hängt auch davon ab, wie viel Stoff warm wird.

Waagerechtes Stück beim Schmelzen und Sieden falsch gedeutet
Beim Sieden steigt die Temperatur weiter, das Thermometer ist nur zu langsam.
Beim Sieden bleibt ϑ = 100 °C, die Energie trennt die Teilchen voneinander.

Beim Schmelzen und Sieden fließt weiter Energie zu, aber die Temperatur bleibt. Die Energie löst die Teilchen voneinander.

273 zu einem Temperaturunterschied addiert
von 20 °C auf 50 °C: ΔT = 30 + 273 = 303 K
von 20 °C auf 50 °C: ΔT = 30 K

Für einen Unterschied kommt keine 273 dazu. Ein Unterschied von 1 °C ist genau 1 K.

Masse in Gramm statt Kilogramm
Q = 4,2 kJ/(kg·K) · 500 g · 10 K = 21.000 kJ
500 g = 0,5 kg, Q = 4,2 kJ/(kg·K) · 0,5 kg · 10 K = 21 kJ

Die Wärmekapazität gilt je Kilogramm. Rechne die Masse zuerst in Kilogramm um: 1000 g sind 1 kg.

Kilojoule und Joule verwechselt
Q = 4200 J/(kg·K) · 2 kg · 10 K = 84.000 kJ
Q = 84.000 J = 84 kJ

Kilo heißt tausend: 1 kJ sind 1000 J. Schau, ob c in J oder in kJ angegeben ist, und schreib die passende Einheit.

Anteil und Prozent verwechselt
η = 30 J : 120 J = 0,25 %
η = 30 J : 120 J = 0,25 = 25 %

0,25 ist ein Viertel, also 25 Prozent. Zum Umrechnen in Prozent mal 100 nehmen.

Zwischenergebnis als Antwort
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe

Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.

Größen verwechselt
Masse = 50 N
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N

Hier sind zwei Größen vertauscht. Schreib zuerst auf: Gegeben ist …, gesucht ist … – mit Formelzeichen.

Verhältnis umgekehrt angesetzt
N₁ = 1000, N₂ = 50, U₁ = 230 V: U₂ = 230 V · 1000 : 50
U₂ = 230 V · 50 : 1000 = 11,5 V

Prüf die Richtung: Mehr Windungen heißt mehr Spannung, mehr Strom heißt mehr Feld. Schätz zuerst, ob das Ergebnis größer oder kleiner wird.

Formel falsch umgestellt
V = ρ · m
ρ = m : V   | · V   | : ρ   →   V = m : ρ

Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.

Einheiten nicht angeglichen
p = 200 N : 50 cm² = 4 Pa
50 cm² = 0,005 m², p = 200 N : 0,005 m² = 40 000 Pa

Die Angaben passen noch nicht zusammen. Rechne zuerst in die Einheiten der Formel um, dann setz ein.

Einheit vergessen
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.

Weiter lesen und ausprobieren – auf fremden Seiten

Zum Ausdrucken: Drucken-Befehl des Browsers – die Seite ist dafür gebaut. Üben geht am Handy über den Code deiner Klasse, nicht hier.